传感器的种类和注意事项

在电气传动自动化控制系统中使用的传感器按照检测对象可以分为：速度、位置、电流和电压这四种类型的传感器。

按照传感器的原理分类，可以分为模拟传感器和数字传感器。

模拟式速度传感器是测速发电机。测速发电机分为励磁方式和永磁方式，输出的信号电压值与转速成正比，输出电压的符号代表旋转方向。测速发电机的关键技术在于减小低速时的纹波电压值和速度检测的线性度。

旋转变压器（Resolver）是用来测量角度和速度的模拟型传感器，其原理图如图10-13所示。旋转变压器的定子由两相绕组构成，绕组S₁S₂作为励磁绕组接到单相交流电源，另一相短接，用来抵消交轴磁势。转子绕组由两相空间相差90°的绕组构成。当转子和定子之间的空间角度为θ时，在两相转子绕组中分别感应出θ角的正弦电压信号和余弦电压信号。把这两个电压信号进行模数转换后，就可以测量出转子当前的转角θ。

图10-13 旋转变压器的原理图

旋转变压器的优点是坚固耐用，多用于要求可靠性高或者振动较大场合，例如军事、航天以及新兴的电动汽车等领域。

现代电气传动系统调速范围大，调速精度高，测速发电机和旋转变压器的精度往往不适合这种场合，于是数字式测速装置脉冲编码器就应运而生了。

脉冲编码器（Encoder）是一种光学式检测元件，编码器直接装在电动机的旋转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。这种检测方式的特点是：非接触，无磨损，驱动力矩小，响应速度快。按工作原理，可分为增量式编码器和绝对值式编码器。

增量式编码器的码盘和脉冲波形如图10-14所示，输出信号是3组脉冲列。其中A、B脉冲是相位相差90°的脉冲列，Z脉冲是每转只有一个脉冲。由于A、B两组脉冲相差90°，可通过比较A脉冲在前还是B脉冲在前，来判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位值。增量式编码器在转动时输出脉冲，通过计数脉冲数量计算转速或位置。

图10-14 增量式编码器的码盘和脉冲波形

增量型编码器的一个重要数据就是每转脉冲数N_dis，相应的脉冲的频率

根据脉冲数计算出转速的方法有三种方法：M法、T法和M/T法。M法是计数固定时间内的脉冲数，这个数值代表了固定时间内的平均速度，适合于高速段计算速度；T法是计算两个脉冲之间的周期T，适合于低速段计算速度；M/T法集中了这两种方法的优点，计算精度得到提高。

对增量型编码器的A、B脉冲进行计数，同时利用Z脉冲计数编码器轴转过的圈数，即可得到编码器轴的转过角度，也就是测出角位移。因为这种方法需要确定位移的起始点，所以，只能测出相对位移。当编码器不动或停电时，必须依靠计数设备的内部记忆来记住此时的位置，并且不可转动编码器。否则，计数器记忆的零点就会偏移，造成位置检测值错误。

采用绝对值式编码器就可以避免这种缺点。绝对值式编码器的码盘做成多路光栅，各路光栅依照2、4、8……的数量开孔，码盘形状如图10-15所示。

绝对值式编码器的每一个位置的编码值是唯一的，检测的位置是绝对的位置值，而且不受停电的影响，也不需要确定零点。格雷码表示相邻整数时只有一个数字发生变化，其安全性优于二进制码，所以绝对值式编码器的码盘多采用格雷码的形式。另外，单圈的绝对值式编码器只能检测360°以内的位置，而多圈绝对值式编码器利用多组齿轮的原理，增加了圈数值的编码，可以将检测范围扩大到多个360°。由于多圈编码器的测量范围大，往往超过使用的测量范围，只需将中间的某一位置作为起始点即可，而不必花费气力在安装时定位零点。

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图10-15 绝对值式编码器的码盘

行程开关（又称限位开关）是开关型位置传感器。在实际生产中，把行程开关安装在预定的位置，当生产机械的运动部件碰撞行程开关时，使其开关状态改变，达到顺序控制、定位控制的目的。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用于控制运动部件的行程、实行限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制轿厢的升降速度、自动开关门和轿厢的上、下限位的保护。

为了避免因为碰撞影响行程开关的寿命，现在又研制出与运动部件不相接触的接近开关。按照工作原理划分，接近开关可以分为电磁感应型、光电型、超声波型、电容型和高频感应型等多种类型，应根据不同的检测对象，使用不同类型的接近开关。接近开关具有寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、抗振能力强等特点。

电压互感器（Voltage transformer）用来把交流的高电压按比例关系变换成100V的标准二次电压，供保护、计量装置和控制系统反馈使用。电压互感器还可以把高电压电路与低电压电路相隔离，保护人员和设备的安全。

电压互感器是利用降压变压器的原理检测交流电压。当电压互感器的一次绕组上接在交流高压侧，则在二次绕组中就产生一个标准的二次电压。改变变压器的变比，就可以组成不同电压等级的电压互感器。

电压互感器二次绕组不容许短路。这是因为电压互感器内阻抗很小，如果二次绕组短路时，会出现很大的电流，将损坏二次设备甚至危及人身安全。为了确保接触测量仪表和继电器时的人身安全，电压互感器二次绕组必须有一点接地。这是因为当一次绕组和二次绕组之间的绝缘损坏时，可以防止二次回路中出现高电压危及人身安全。

电流互感器（Current transformer）用于检测交流电流。它的作用是把数值较大的一次电流按照变比关系转换为数值较小的二次电流，起到隔离、保护和测量的作用。电流互感器也是利用电磁感应的原理，与电压互感器不同，电流互感器是一个电流源。只要一次侧有电流通过，二次侧就感应出与变比有关的电流。电流互感器在工作时，它的二次回路与阻抗很小的测量仪表相串联，工作状态接近短路。

电流互感器二次绕组不容许开路。如果二次绕组开路，就会产生高电压损毁设备或危及人身安全。另外，电流互感器的二次侧必须有一端接地，以防止一旦绝缘损坏，一次侧高电压窜入二次低压侧，造成人身和设备事故。对于晶闸管整流器，一般在交流侧使用电流互感器检测交流电流，然后通过二极管整流桥将交流电流变换成为直流电流。这个直流电流通过电阻器形成电压信号，作为控制系统的电流反馈（见图10-16）。

图10-16 用于控制系统电流 反馈的电流检测电路

基于霍尔效应的电流传感器

传统的检测直流电压直流电流的方法很多，常用的有直流电压互感器、直流电流互感器。这里只介绍一种新型的霍尔效应的直流电压、直流电流检测器件。

霍尔效应是指电流通过金属薄片或半导体薄片时，如果在电流的垂直方向施加磁场，则金属薄片或半导体薄片两侧面会出现横向电位差，其原理如图10-17a所示。当通过薄片的电流恒定时，这个电位差与外加的磁场的强度成正比，而这个磁场正是由待检测的电流形成的，所以，只要检测到电位差就相当于检测到待测的电流。利用这一原理，就可以制成霍尔电流传感器。霍尔式电流传感器的优点是可以检测任何波形的电流、测量范围宽、精度高、线性度好、隔离性好；缺点是需要稳压电源供电、价格较高。

图10-17b所示为带有磁补偿的霍尔式电流传感器的原理图。由于被测的一次电流的安匝数等于二次补偿电流的安匝数，所以在电阻R_L上就可以得到与一次电流成比例的输出电压信号。

现在，基于霍尔效应的磁传感器已经发展成为一个品种多样的传感器产品族，已经在很多领域得到应用。

图10-17 霍尔式电流传感器